Phân tích các giai đoạn cố kết và công thức tính lún

chất nén lún của đất là hoàn toàn khác nhau tùy thuộc vào từng loại đất và từng trạng thái, hoàn cảnh cụ thể ngay cả trong cùng một loại đất. Hiện tượng nén chặt do sự thoát nước rất chậm từ các lỗ rỗng trong đất hạt mịn là kết quả của việc tăng tải (trọng lượng của công trình lên trên đất nền) được gọi là cố kết (consolidation), nên việc phân tích các giai đoạn cốt kết của đất nhằm áp dụng các công thức lún vào từng loại công trình là vô cùng cần thiết. Từ khóa: Nén lún, cố kết. 1. Mở đầu Khi nén chặt đất bão hòa nước dưới tác dụng của lực ngoài, các hạt rắn cấu tạo nên cốt đất dịch chuyển lại gần nhau và thể tích lỗ rỗng giảm đi. Khi đó nước lấp đầy trong các lỗ rỗng nên bị nén ép và chuyển động theo hướng về biên thoát nước, khu vực có áp lực bé hơn. Khi công trình xây dựng trên đất bão hòa, tải trọng công trình được xem như truyền lên nước trong các lỗ rỗng của đất trước tiên. Vì chịu tải nên nước có xu hướng thoát ra từ các lỗ rỗng trong đất (áp lực nước lỗ rỗng phân tán từ nơi có áp lực lớn đến nơi có áp lực bé hơn và áp lực hữu hiệu tăng dần lên), gây ra sự giảm thể tích phần rỗng của đất và lún công trình. Đối với đất có hệ số thấm lớn (đất hạt thô), quá trình này hoàn tất trong một khoảng thời gian ngắn và kết quả là hầu như sự lún kết thúc hoàn toàn trong khi thi công. Tuy nhiên đối với đất có hệ số thấm nhỏ (đất hạt mịn, đặc biệt là đất loại sét), quá trình này chiếm một khoảng thời gian rất lớn, mức độ biến dạng và độ lún xảy ra rất chậm. Như đã biết, chuyển động của nước có thể tồn tại nếu tại các điểm của vùng từ đó nước thoát ra, xét áp lực thủy tĩnh, có áp lực thặng dư lớn hơn nơi không nằm ở trong vùng chịu nén. Nói cách khác, khi nén chặt đất bão hòa trong nước lỗ rỗng xuất hiện áp lực thặng dư, được gọi là áp lực nước lỗ rỗng, đất khi đó ở trong trạng thái không ổn định. Áp lực lên cốt đất (áp lực hữu hiệu) của đất không ổn định, đang trong quá trình cố kết luôn nhỏ hơn trong cốt đất mà sự nén chặt nó có thể xem như đã hoàn toàn. 2. Phân tích các giai đoạn cố kết Thực chất tính biến dạng của đất là sự giảm thể tích lỗ rỗng hay sự dịch chuyển và sắp xếp lại các hạt đất dưới tác dụng của tải trọng ngoài, đồng thời chúng trở nên gần nhau hơn, chặt chẽ Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 76 hơn. Do đó, đôi khi người ta còn gọi biến dạng này là biến dạng thể tích. Thật vậy, đất càng chặt hay càng bền sẽ bị biến dạng càng ít, ngược lại đất càng yếu và xốp càng bị biến dạng nhiều khi chúng chịu tác dụng của tải trọng ngoài như nhau. Hình 1. Các giai đoạn cố kết 2.1. Giai đoạn I – Lún tức thời (Initial compression) Lún tức thời xảy ra ngay sau khi vừa chất tải khi nước chưa kịp thoát ra khỏi lỗ rỗng. Đất ở trạng thái tự nhiên sẽ bị biến dạng đàn hồi ngay sau khi tải trọng tác dụng (do sự tiếp xúc không hoàn chỉnh giữa bề mặt chịu tải với áp lực, biến dạng bản thân tải trọng và sự sắp xếp lại vị trí các hạt đất đá). Độ lún gây bởi quá trình biến dạng này gọi là độ lún tức thời hay lún không thoát nước chịu tác dụng của tải trọng tương tự trạng thái của vật thể đàn hồi và nó có biến dạng tương đối nhỏ. Độ lún trong giai đoạn này được tính dựa trên định luật Hook (định luật đàn hồi). 2.2. Giai đoạn II – Cố kết sơ cấp (Primary consolidation) Cố kết sơ cấp còn gọi là cố kết thấm là quá trình lún của mẫu đất theo thời gian (chủ yếu) do sự thoát nước từ lỗ rỗng trong quá trình chất tải tuân theo lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi. Trong quá trình này, tốc độ ép thoát nước cũng là tốc độ nén chặt, phụ thuộc vào độ thấm nước của đất và trị số tải trọng tác dụng. Trong giai đoạn này áp lực nước lỗ rỗng trong đất thường biến đổi một cách rõ rệt. Kết thúc cố kết thấm được xác định ở thời điểm áp lực nước lỗ rỗng tiêu tán hết hoặc không đổi. 2.3. Giai đoạn III – Cố kết thứ cấp (Secondary consolidation) Cố kết thứ cấp còn gọi là cố kết từ biến, ở giai đoạn này khi giá trị áp lực nước lỗ rỗng bị triệt tiêu trong quá trình cố kết thấm. Cố kết từ biến xét đến tính dẻo nhớt của cốt đất, nước liên kết và tính trượt dẻo các phân tử đất trong quá trình nén chặt. Trong giai đoạn này, sự nén chặt của cốt đất phát triển chậm theo thời gian khi ứng suất hữu hiệu không đổi. 3. Các công thức tính lún Độ lún của một móng công trình nếu quá lớn sẽ ảnh hưởng đến tính năng sử dụng của công trình như giảm độ cao của mặt nền, ảnh hưởng đến hệ thống thoát nước của công trình, Đặc biệt độ lún lệch giữa các móng sẽ dẫn đến gia tăng nội lực trong khung nhà, trong thượng tầng kết cấu dẫn đến nứt nẻ. Việc tính toán và kiểm soát các độ lún và độ lún lệch nhằm đảm bảo an toàn cho công trình là một công việc quan trọng trong thiết kế nền móng công trình. Tổng độ lún của móng công trình từ lúc khởi công đến suốt quá trình sử Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 77 dụng công trình có thể gồm: Độ lún do hạ mực nước ngầm để chuẩn bị thi công đào hố móng; độ nở của đất do đào hố móng; độ lún do thi công móng và công trình; độ nở do dâng mực nước ngầm trở lại khi ngừng bơm hạ mực nước ngầm; độ lún do đàn hồi của nền đất; độ lún do cố kết sơ cấp của nền đất dưới tải toàn bộ công trình; độ lún do nén thứ cấp của nền đất dưới tải toàn bộ công trình. Với những công trình có độ sâu chôn móng không quá lớn, chiều sâu hạ mực nước ngầm nhỏ. Độ lún và nở do hạ mực nước ngầm, giảm tải do đào hố móng và trả lại nước ngầm có thể bỏ qua, vì chúng không đáng kể so với độ lún do tải công trình. Nhằm thiết kế nền móng công trình, cần phải tính độ lún và tốc độ lún. Với nền đất biến dạng được, độ lún của móng thường được tính bằng với biến dạng đứng của nền đất, nó bao gồm ba thành phần: i p sS S S S   (1) Trong đó: iS là độ lún tức thời do tính đàn hồi của nền đất. pS là độ cố kết của vùng nền trực tiếp gánh đỡ móng, nó phụ thuộc theo thời gian thông qua đặc tính thoát nước của đất nền. sS là độ lún thứ cấp do đặc tính từ biến của đất nền, nó phụ thuộc theo thời gian, kể từ thời điểm lún cố kết kết thúc. Có nhiều phương pháp ước lượng tổng độ lún của móng, hay chỉ độ lún riêng do cố kết thấm. 3.1. Độ lún tính theo quan hệ e - p Độ lún cố kết của nền đất theo phương pháp tổng phân tố với đường quan hệ e p của thí nghiệm cố kết. Đối với những móng kích thước nhỏ hơn 10m đặt trên đất nền biến dạng trung bình và lớn, để tính lún của móng có thể áp dụng phương pháp cộng lún từng lớp, còn có tên là phương pháp tổng phân tố. Phương pháp này có thể ước lượng độ lún của từng móng riêng rẻ hoặc có xét đến ảnh hưởng của các móng lân cận, cũng như tính được góc xoay của một móng hoặc độ lún lệch giữa các móng. Nội dung của phương pháp bao gồm: - Áp lực đáy móng đủ nhổ để không gây vùng biến dạng dẻo quá lớn trong nền, sao cho toàn nền ứng xử như vật thể đàn hồi đòi hỏi thỏa điều kiện: IIp R , với IIR là sức chịu tải của đất nền. - Tính áp lực gây lún chính là độ gia tăng ứng suất tại đáy móng do tải công trình bên trên truyền xuống, áp lực này cùng tính chất như sức chịu tải ròng. ' 'gl glp p h    (2) - Xác định chiều dày đới nén lún nH là vùng đất trực tiếp gánh đỡ tải và bị biến dạng, kể từ đáy móng nông hoặc đáy móng quy ước dưới móng cọc đến chiều sâu z mà ở đó, thỏa mãn điều kiện ( ) ( )' 0, 2 'gl z bt z  đối với đất nền có module biến dạng 5E MPa ; ( ) ( )' 0,1 'gl z bt z  đối với đất nền có module biến dạng 5E MPa ; - Để bài toán tính lún đạt độ chính xác cao, vùng nén lún được chia thành Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 78 nhiều lớp nhỏ, mỗi lớp phân tố có bề dày nhỏ hơn 0,4 bề rộng móng. Nếu vùng nén lún gồm nhiều lớp đất khác nhau, mặt phân chia các lớp đất phải là mặt phân chia các lớp phân tố. Về phương pháp tính gần đúng, theo J. McPhail và P. Hellen, khi số lớp đạt đến 64, bài tính sẽ có độ chính xác rất cao không chênh lệch nhiều với số lớp 1000. - Tính ứng suất do trọng lượng bản thân ở giữa lớp phân tố đất thứ i, 1i ( )'bt ip  từ ứng suất này ta suy ra hệ số rỗng 1ie của phân tố đất ở trạng thái ban đầu, khi chưa gánh chịu công trình, nhờ vào đường cong (e – p) của thí nghiệm nén cố kết. - Từ các bảng kết quả phân bố ứng suất trong bán không gian đàn hồi dưới diện chịu tải, vẽ đường ứng suất ( )z i do áp lực gây ra dọc theo trục mà ta muốn tính độ lún, thường là trục đi qua tâm diện chịu tải. Tổng ứng suất 2i ( ) ( )'bt i z ip    tác động tại giữa lớp phân tố thứ i là tổng của ứng suất do trọng lượng bản thân và ứng suất do tải công trình (dĩ nhiên là sau khi hiện tượng cố kết thấm đã hoàn tất kể từ khi đặt tải), từ tổng ứng suất này và đường cong nén ép (e – p) sẽ suy ra hệ số rỗng 2ie của phân tố đất thứ i. Chính vì việc sử dụng kết quả của bài toán Boussinesq (hoàn toàn dựa trên lý thuyết đàn hồi tuyến tính) để tính các ứng suất do tải ngoài gây ra trong nền, nên cần phải kiểm tra áp lực nền sao cho nền còn làm việc như vật liệu đàn hồi. Áp dụng công thức tính biến dạng đứng của lớp thứ i. 1i 2i 1i1 i i e es h e    (3) - Độ lún của móng là tổng các độ biến dạng đứng của n phân tố trong vùng nền bị nén. 1i 2i 1 1 1i1 n n i i i i e eS s h e       (4) hoặc sử dụng các công thức sau: 1 1 n n i vi i i i i S s m p h       (5) và 1 1 n n i i i i i i i S s p h E        (6) Nếu nền đồng nhất và chấp nhận giả thiết các hệ số nén tương đối vim , hệ số i và module biến dạng iE là hằng số. Hai công thức độ lún trên sẽ trở thành: 1 1 n n i v i i i i S s m p h       (7) và 1 1 n n i i i i i S s p h E        (8) 3.2. Độ lún tính theo quan hệ e - logp Độ lún do đất nền cố kết khi chịu sự gia tăng ứng suất do tải trọng công trình, phụ thuộc vào thông số thời gian. Khi có sự gia tăng tải trọng, phần nước trong lỗ rỗng gánh đỡ toàn bộ áp lực gia tăng này dưới dạng áp lực nước lỗ rỗng thặng dư u , áp lực thặng dư này sẽ phân tán dần khi nước chịu áp lực cao chảy sang nơi có áp lực thấp hơn theo lý thuyết cố kết thấm của Terzaghi. Với các nền đất có độ thấm lớn hơn như cát, sỏi, sạn, đá dăm, hiện tượng cố kết thấm diễn ra gần như tức thời, độ lún của chúng không phụ thuộc Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 79 thông số thời gian. Ngược lại, các đất loại sét độ lún phụ thuộc thời gian t và tùy theo đặc tính của đất nền có thể xảy ra ba tường hợp sau: - Với đất cố kết thường (p0 = pc):   0 0 0 0 log 1 c p C p pS H e p         (9) - Với đất cố kết trước nặng có áp lực tác động giữa lớp đất là 0 cp p p   thì độ lún là biến dạng đàn hồi của nền có dạng:   0 0 0 0 log 1 s p C p pS H e p        (10) -Với đất cố kết trước nhẹ có 0 0cp p p p    , ta có:     0 0 0 0 0 0 log 1 log 1 s c p c c C pS H e p C p pH e p               (11) Trong đó: 0p - áp lực do tải trọng bản thân ở giữa lớp sét; p - ứng suất thẳng đứng do tải trọng công trình gây ra ở giữa lớp đất sét; cp - áp lực tiền cố kết; 0e - hệ số rỗng ban đầu của lớp đất sét (ứng với thời điểm trước khi xây dựng công trình); cC - chỉ số nén xác định theo độ dốc của đường cong như hình 3; Hoặc có thể xác định theo giới hạn chảy LL như sau: - Mẫu đất nguyên dạng: Cc = 0,009(LL – 10) (12) - Mẫu đất chế bị: Cc = 0,007(LL – 10) (13) sC - chỉ số nở xác định theo độ dốc của đường cong như hình 3; Hoặc xác định theo công thức kinh nghiệm như sau: Cs = (0,1  0,2)Cc (14) 0H - bề dày lớp đất ban đầu trước khi xây dựng công trình. Chúng ta đã phân tích các phương pháp tính độ lún tức thời và độ lún cố kết. Độ lún tức thời dựa trên lý thuyết đàn hồi, độ lún do hiện tượng cố kết sơ cấp dựa trên lý thuyết phân tán áp lực nước lỗ rỗng thặng dư từ tải trọng công trình tác động vào nền đất sét bão hòa nước. Độ lún thứ ba là do biến dạng thứ cấp của đất nền, sau quá trình phân tán nước lỗ rỗng thặng dư hoàn toàn (cố kết sơ kết), dưới ứng suất hữu hiệu không đổi. Thành phần này được gọi là độ lún do hiện tượng nén thứ cấp, được ký hiệu là Ss Hình 2. Đồ thị xác định hệ số C Độ lún do hiện tượng nén thứ cấp dựa vào đoạn tuyến tính bên dưới của đường cong e – logt. Công thức tính độ lún này có dạng:    0 log log t1s p CS H e    (15) Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 80 Trong đó: pe - hệ số rỗng tương ứng với điểm đầu của đoạn tuyến tính dưới của đường cong e – logt, suy ra từ đường e – logt; C - chỉ số nén thứ cấp được định nghĩa bởi phần nén thứ cấp của đường cong e – logt như sau: log t eC    (16) 4. Xác định áp lực tiền cố kết (pc) Áp lực tiền cố kết là áp lực tối đa mà lớp đất đã bị cố kết trong quá trình lịch sử hình thành. Thông thường, kết quả thí nghiệm thể hiện trên đường cong e - logp, áp lực phân chia đường cong thành hai nhánh khác biệt trên biểu đồ đường cong như hình 3. Hình 3. Đường cong e – logp Giá trị áp lực tiền cố kết pc có thể đánh giá mức độ cố kết của đất nền, ở độ sâu đang xét, thông qua việc so sánh với áp lực cột đất tại đó. Tỷ số tiền cố kết OCR được định nghĩa bằng tỷ số giữa ứng suất tiền cố kết pc và ứng suất hữu hiệu do trọng lượng bản thân của các lớp đất bên trên tác động tại điểm lấy mẫu. ' cpOCR p  (17) OCR = 1: đất cố kết thường; OCR > 1: đất cố kết trước; OCR < 1: đất kém cố kết hoặc chưa đạt đủ quá trình cố kết do trọng lượng bản thân các lớp bên trên. Việc xác định giá trị áp lực tiền cố kết pc có giá trị rất to lớn trong thực tế tính toán như trong việc lựa chọn công thức tính toán độ lún của đất nền, trong việc lựa chọn các thông số độ bền kháng cắt cho thiết kế mái dốc, Có nhiều cách khác nhau để xác định pc, đó là: phương pháp Casagrande; phương pháp Schertmann; phương pháp Janbu; phương pháp Butterfield; phương pháp Tavanas; phương pháp Burmister; phương pháp Van Zelst; Dưới đây chỉ xin trình bày phương pháp xác định áp lực tiền cố kết pc được dùng phổ biến hiện nay nhất, đó là phương pháp Casagrande. Casagrande (1936) đề nghị một phương pháp đồ thị theo kinh nghiệm dựa trên đường cong e – logp để xác định áp lực tiền cố kết. Trên đường cong e – logp, tại điểm cong nhất chọn một điểm có bán kính bé nhất trên đường cong cố kết e – logp. Vẽ tiếp tuyến tại điểm này với đường cong e – logp, vẽ đường song song với trục hoành, vẽ đường phân giác của góc hợp bởi hai đường trên. Kéo dài phần tuyến tính của đường nén nguyên thủy, giao điểm của 1.00 1.20 1.40 1.60 1.80 2.00 2.20 0.1 1.0 10.0 Ứng suất nén s (kG/cm2) H ệ số r ỗn g e Pc Cc Cs Thông báo Khoa học và Công nghệ * Số 1-2014 81 đường này với đường phân giác ta sẽ được điểm ứng với ứng suất tiền cố kết pc. 5. Kết luận Giá trị độ lún qua từng giai đoạn trong quá trình cố kết phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại đất, tính nén lún của từng loại đất, độ lớn và tốc độ đặt tải trọng, quan hệ giữa diện tích chất tải và bề dày đất bị nén, lịch sử ứng suất của đất Nhìn chung độ lún do cố kết sơ cấp là độ lún chiếm ưu thế. Giá trị cố kết thứ cấp trong đất sét cố kết thông thường lớn hơn trong đất sét quá cố kết, mặc dù tỷ số của cố kết thứ cấp với cố kết sơ cấp có thể nhỏ hơn, cố kết thứ cấp lớn nhất trong đất hữu cơ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Trường Sơn. 2009. Bài giảng địa chất công trình. [2] Châu Ngọc Ẩn. 2009. Cơ học đất, NXB Đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh. [3] Trần Văn Việt. 2004. Cẩm nang dùng cho kỹ sư địa kỹ thuật, NXB Xây dựng. [4] Võ Phán, Phan Lưu Minh Phượng. 2010. Cơ học đất, NXB Xây dựng Hà nội. [5] K.H.Head. 1994. Soil laboratory testing, volume 2, Permeability, shear strength and compressibility.